基于人機(jī)交互的主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要：隨著人口老齡化趨勢(shì)的加劇，各種疾病引發(fā)的運(yùn)動(dòng)功能障礙問(wèn)題日益突出，尤其是中風(fēng)、脊髓損傷等疾病導(dǎo)致的肢體功能受限。傳統(tǒng)的手工康復(fù)存在效率低、受訓(xùn)者有數(shù)量限制等問(wèn)題，迫切需要一種更高效且個(gè)性化的輔助康復(fù)訓(xùn)練方法。為打破這些限制，文中設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103RCT6的人機(jī)交互主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。該系統(tǒng)具有主動(dòng)、被動(dòng)、助力等運(yùn)動(dòng)康復(fù)模式，且能夠?qū)\(yùn)行過(guò)程中患者的足底壓力、心率、血氧進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。此外，該康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)提高了人機(jī)交互的安全性。結(jié)果表明，該康復(fù)機(jī)器人能夠滿足下肢功能障礙患者多場(chǎng)景下的康復(fù)需求。

關(guān)鍵詞：人機(jī)交互；康復(fù)機(jī)器人；STM32控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；康復(fù)模式設(shè)計(jì)；智能語(yǔ)音控制

中圖分類號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-00-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.019

0 引 言

腦卒中人群、術(shù)后患者的早期運(yùn)動(dòng)康復(fù)不僅有利于人體機(jī)能的快速恢復(fù)，同時(shí)能夠及時(shí)對(duì)大腦受損神經(jīng)進(jìn)行重塑[1]。傳統(tǒng)的康復(fù)主要以醫(yī)師手工作業(yè)為主，不但極大消耗體力且患者的治療高度依賴醫(yī)師自身的康復(fù)水平。而基于人機(jī)交互的主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人能夠根據(jù)患者的不同臨床體征，提供多元化的康復(fù)訓(xùn)練模式[2]。

美國(guó)德克薩斯州奧斯汀市Harmony Bionics公司開發(fā)出了Harmony SHR上身外骨骼[3-4]，可以讓患者在外骨骼輔助下按照預(yù)先編制的程序反復(fù)移動(dòng)，從而幫助患者完成日常的復(fù)健動(dòng)作。瑞士的Hocoma Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人可用于高重復(fù)性的生理恢復(fù)性運(yùn)動(dòng)，該下肢康復(fù)機(jī)器人通過(guò)模擬正常人的步伐對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練，鍛煉其下肢肌肉，使患者恢復(fù)下肢行走的能力。中國(guó)沈陽(yáng)艾克申機(jī)器人技術(shù)開發(fā)責(zé)任有限公司研發(fā)的下肢康復(fù)機(jī)器人可用于因腦外傷、腦卒中、非完全性脊髓神經(jīng)或骨關(guān)節(jié)疾病導(dǎo)致下肢行走功能存在障礙的患者，控制機(jī)械腿模擬出人類正常行走時(shí)的步態(tài)，輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

上述國(guó)內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人大多存在價(jià)格高昂、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、患者難以承擔(dān)相應(yīng)治療費(fèi)用等問(wèn)題，因此，開發(fā)成本低、功能完善、易于維護(hù)的康復(fù)機(jī)器人尤為必要?；谶@一原則，課題組結(jié)合STM32微控制器，設(shè)計(jì)了一款基于人機(jī)交互的主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)控制、多種康復(fù)運(yùn)動(dòng)模式供選擇、生理指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能語(yǔ)音控制等多項(xiàng)特性。

1 主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

課題組研發(fā)的主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人由人機(jī)交互系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成，人機(jī)交互系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏和智能語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向交互，通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制以及對(duì)心率、血氧、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、磁控保護(hù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成對(duì)患者康復(fù)訓(xùn)練和過(guò)程數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制。機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)本體和上下、前后、左右的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，在康復(fù)機(jī)器人的下方設(shè)有4個(gè)萬(wàn)向輪，用于機(jī)器人的移動(dòng)。主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人如圖1所示。

1.1 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人的人機(jī)交互控制系統(tǒng)如圖2所示。人機(jī)交互系統(tǒng)采用STM32F103RCT6嵌入式系統(tǒng)編程，STM32F103RCT6系統(tǒng)的處理器主頻高達(dá)72 MHz，工作電壓范圍[5]為2～3.6 V。觸摸屏采用大彩DC1060PM101串口屏，該串口屏通過(guò)Visual TFT軟件進(jìn)行屏幕界面設(shè)計(jì)，通過(guò)RX、TX通信，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[6]。醫(yī)師通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏，將指令發(fā)送給STM32控制器，控制器接收指令后通過(guò)識(shí)別轉(zhuǎn)化將相應(yīng)指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)電機(jī)速度、位移的精準(zhǔn)控制。與此同時(shí)，STM32控制器接收患者的足底壓力、心率、血氧、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，便于醫(yī)師對(duì)患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的觀察。此外，系統(tǒng)獨(dú)有的語(yǔ)音控制系統(tǒng)特別適用于在患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自我調(diào)節(jié)以及緊急停止，可實(shí)現(xiàn)康復(fù)者在無(wú)醫(yī)師情況下的自我保護(hù)。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人的伺服電機(jī)采用57BL01直流無(wú)刷電機(jī)，其質(zhì)量為1.25 kg，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，運(yùn)行噪聲≤50 dB，供電電壓為直流36 V。相較于傳統(tǒng)有刷電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)的效率能夠達(dá)到96%以上，相同功率下直流無(wú)刷電機(jī)的體積更小，有利于實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人的輕量化[7]。

主被動(dòng)康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雷賽DM542，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)磁場(chǎng)定向控制（FOC）模式，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。同時(shí)，F(xiàn)OC控制模式能夠提供可調(diào)阻尼，使電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的角度時(shí)刻保持在90°，實(shí)現(xiàn)一定電流下的最大轉(zhuǎn)矩輸出。此外，F(xiàn)OC的換向性能十分優(yōu)秀，能夠在高轉(zhuǎn)速時(shí)順暢進(jìn)行正反轉(zhuǎn)換，并且可進(jìn)行力矩、速度、位置的閉環(huán)控制，從而滿足患者不同的康復(fù)訓(xùn)練要求[8]。

系統(tǒng)建立了輪廓轉(zhuǎn)矩和輪廓速度兩種模式：在輪廓轉(zhuǎn)矩模式下，電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系，因此設(shè)置串口屏中的阻力模式后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)控制相應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的控制[9]；輪廓速度模式下，給定速度、加速度、減速度后，伺服驅(qū)動(dòng)器可按此設(shè)定規(guī)劃電機(jī)的速度曲線，并實(shí)現(xiàn)不同速度指令的平滑切換，此模式可用于串口屏中的被動(dòng)模式與助力模式。

1.3 磁控保護(hù)系統(tǒng)

系統(tǒng)的安全保護(hù)采用磁控開關(guān)，磁控保護(hù)系統(tǒng)將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)患者拉下手環(huán)后，磁框脫落，磁控傳感器感應(yīng)不到磁力，電位就會(huì)由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，此時(shí)電機(jī)失能，停止運(yùn)行。

2 運(yùn)動(dòng)康復(fù)模式設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人的被動(dòng)模式適用于不能進(jìn)行自我運(yùn)動(dòng)的重癥患者，由系統(tǒng)帶動(dòng)患者以一定的速度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。醫(yī)師可根據(jù)患者臨床表現(xiàn)設(shè)定不同的速度和訓(xùn)練時(shí)間。整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，患者的心率、血氧、足底壓力以及訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)等會(huì)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，當(dāng)患者需要立刻停止設(shè)備而無(wú)法操作觸摸屏?xí)r，可通過(guò)語(yǔ)音控制模式進(jìn)行急?？刂啤?/p>

所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人的助力模式適用于有一定行動(dòng)能力的患者，在該模式下，機(jī)器會(huì)實(shí)時(shí)采集患者的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)速度高于設(shè)定值就不再提供轉(zhuǎn)速，由患者自我主動(dòng)訓(xùn)練；反之，機(jī)器會(huì)按照設(shè)定速度，帶動(dòng)患者達(dá)到預(yù)定運(yùn)動(dòng)速度，從而達(dá)到更好的康復(fù)效果。

設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人的主動(dòng)模式[10]適用于體能恢復(fù)較快的患者，通過(guò)主觀訓(xùn)練起到增強(qiáng)肌肉力量的效果，可根據(jù)不同體能的患者實(shí)時(shí)設(shè)定不同阻尼以增強(qiáng)患者的訓(xùn)練強(qiáng)度。

康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算患者當(dāng)前的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，包含患者訓(xùn)練過(guò)程中的平均心率、血氧、運(yùn)動(dòng)速度、距離、時(shí)長(zhǎng)與消耗的熱量，幫助醫(yī)師及時(shí)掌握患者的康復(fù)水平。

3 測(cè) 試

在不同康復(fù)模式下，點(diǎn)擊“開始運(yùn)動(dòng)”按鍵后，心率血氧儀通過(guò)采集患者的心率和血氧濃度信號(hào)得出心率和血氧濃度值，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至系統(tǒng)。心率血氧曲線如圖3所示。

與此同時(shí)，在患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)采集足底壓力[11]，醫(yī)生可通過(guò)分析患者不同階段的足底壓力曲線（圖4）來(lái)調(diào)整患者的康復(fù)治療方案。

此外，在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，患者的下肢可能會(huì)出現(xiàn)痙攣情況，腿部肌肉伴有收縮現(xiàn)象。鑒于此，在康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中增加了應(yīng)對(duì)痙攣算法以識(shí)別該現(xiàn)象，當(dāng)患者在一次康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中反復(fù)出現(xiàn)痙攣次數(shù)達(dá)到5次時(shí)，機(jī)器會(huì)立即停止運(yùn)行并通過(guò)彈窗提示，如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人采用STM32嵌入式控制系統(tǒng)、智能語(yǔ)音識(shí)別、FOC電機(jī)驅(qū)動(dòng)、心率血氧采集、足底壓力采集等技術(shù)，整機(jī)運(yùn)行噪聲控制在50 dB以下。該系統(tǒng)利用智能語(yǔ)音控制技術(shù)提高了人機(jī)交互的安全性和便捷性，可以滿足下肢功能障礙患者在多種康復(fù)場(chǎng)景下的康復(fù)需求，同時(shí)在安全方面設(shè)計(jì)了磁控保護(hù)和智能語(yǔ)音保護(hù)雙系統(tǒng)，保障了患者在使用時(shí)的安全。

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收稿日期：2023-08-28 修回日期：2023-10-13

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作者簡(jiǎn)介：孫建起（1986—），男，河北邢臺(tái)人，講師，主要從事康復(fù)機(jī)器人研究工作。